油氣井井控技術進展與展望

張齊山

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

井噴和井噴失控的發(fā)生不僅嚴重影響正常的油氣勘探和生產，還可能造成火災、爆炸、地層坍塌、環(huán)境污染、人員傷亡等嚴重后果，造成巨大的人員和經濟損失[1-2]。井控工作的重點是避免在油氣井作業(yè)過程中出現(xiàn)井噴和井噴失控，防范由于井噴事故帶來的火災、爆炸和人員中毒等重大事故發(fā)生。重大井噴事故，如清溪1 井井噴事故、12·23 開縣特大井噴事故、蓬萊19-3油田溢油污染事故、墨西哥灣深水地平線鉆井平臺火災事故，都是我國乃至世界石油勘探開發(fā)史上最痛苦、最嚴重的安全生產事故[3]。這些都說明井噴、井噴失控事故對油氣生產企業(yè)具有顛覆性危害，應當永遠受到高度重視。

中石油將井噴風險列為企業(yè)重要風險之一。多年來，不斷加強井控管理和井控裝備研究，取得了一系列成果，其中較為突出的有井控風險評估、精細壓力控制鉆井、溢流監(jiān)測、自動關井、計算機輔助、應急救援、設備監(jiān)控檢測等[4-6]。本文將圍繞風險評估、溢流監(jiān)測、自動關井和應急救援等方面，介紹我國在陸上油氣勘探開發(fā)井控技術領域的最新進展和應用。

1 井控技術發(fā)展及應用現(xiàn)狀

1.1 風險評估

風險評估為油氣井井控分級管理提供科學依據(jù)，對于有效預防重大井噴失控事故的發(fā)生，滿足低成本、高效率的鉆井施工要求具有重要意義。中石油圍繞鉆井綜合井控風險和高含硫氣井有毒有害氣體擴散風險開展了井控評估技術研究與應用，為風險作業(yè)區(qū)的井控管理提供技術支撐。

通過對比安全檢查表、危害和可操作性研究、主要危害源評估等14種定性、半定量和定量風險評估方法，針對易燃、易爆、有毒等施工條件進行綜合評估，形成了井控風險評估的理論模型，確定了井控風險綜合評估方法。同時開發(fā)了井控風險評估軟件，包括鉆井溢流監(jiān)測系統(tǒng)、井控設備適配系統(tǒng)、地質環(huán)境因素系統(tǒng)和綜合因素系統(tǒng)等評價模塊。

川渝地區(qū)有許多高含硫天然氣區(qū)塊。該地區(qū)地勢以丘陵為主，人口稠密。一旦在勘探開發(fā)和管道運輸過程中發(fā)生含硫天然氣泄漏，受復雜地形和當?shù)仫L向影響，極易造成大規(guī)模人身中毒傷害。針對這種情況，中國石油應用量化風險評估技術，并整合了英國HSE、UKOPA、EGIG、CCPs等數(shù)據(jù)庫，結合企業(yè)事故數(shù)據(jù)庫開展修訂工作，自主研發(fā)了適合復雜地形的高含硫氣田量化風險評價技術。通過環(huán)境風洞試驗，事故模擬精度提高了50%以上。并成功應用于羅家寨、渡口河、普光、龍崗、龍王廟等含硫氣田開發(fā)的安全評價、HSE方案編制和應急預案編制，為安全生產提供技術支撐。

1.2 溢流監(jiān)控

溢流監(jiān)測預警是預防井控事故的關鍵技術之一。越早發(fā)現(xiàn)溢流并準確報警，為下一步關井提供的處理時間窗口就越寬。對于避免溢流發(fā)展為井涌、井噴甚至失控井噴，降低井下復雜，保護油氣藏具有重要意義。目前，國內外成熟的溢流監(jiān)測技術主要有鉆井液液位監(jiān)測技術、井口導管液位監(jiān)測技術、鉆井液流量監(jiān)測技術、改進型流量監(jiān)測技術、環(huán)空隨鉆壓力監(jiān)測技術、貝葉斯模型預測技術、垂直套管壓力監(jiān)測技術等。不同的監(jiān)測方法有不同的原理和優(yōu)點，但也存在一些不足。國內應用最廣泛的監(jiān)測方法是利用鉆井液罐進行液位監(jiān)測，通過觀察鉆井液液位的變化來判斷復雜的井下事故。但該技術的報警精度和準確度不高，發(fā)現(xiàn)時間相對滯后，往往導致失去最佳控制機會。

針對現(xiàn)有溢流監(jiān)測技術存在的缺陷和不足，中石油開展了多種溢流監(jiān)測方法的開發(fā)和應用。主要包括：基于隨鉆壓力測量的溢流監(jiān)測技術、進出口流量和綜合測井參數(shù)、井筒液位溢流監(jiān)測技術和隨鉆參數(shù)監(jiān)測技術。這些方法提高了溢流檢測的及時性和準確性，為溢流早期監(jiān)測技術積累了足夠的技術基礎。開發(fā)的基于隨鉆壓力測量、微流監(jiān)測和綜合測井參數(shù)的溢流預兆在線監(jiān)測預警系統(tǒng)已在川渝地區(qū)鉆井現(xiàn)場應用。該套監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)井底環(huán)空壓力變化實時監(jiān)測情況，結合鉆井液進出口流量變化及相關綜合測井參數(shù)，提前發(fā)現(xiàn)溢流?，F(xiàn)場實際應用情況對比可知，該套系統(tǒng)比傳統(tǒng)的鉆井液液位監(jiān)測報警提前4～7min，平均提前5min。

在鉆探敏感地層，如碳酸鹽巖地層的過程中，由于鉆井液安全密度窗口較窄，往往會出現(xiàn)井漏溢流交替出現(xiàn)的復雜情況。當鉆井液漏失到地層中時，地層的高壓氣體將被置換到井筒中，并隨循環(huán)的鉆井液上升，一旦氣體接近井口，就會發(fā)生井涌，井控風險很大。因此，為了保證井控安全，鉆井現(xiàn)場常采用定期灌注鉆井液或連續(xù)灌注鉆井液的工程措施。但如果不知道地下環(huán)空液位高度，就不能確定注漿量，不僅會浪費大量泥漿，還可能引發(fā)溢流，造成復雜事故，嚴重影響井控安全。所以，要準確掌握地下環(huán)空液位高度，然后調整注入泥漿的量和密度，使井筒液位始終在動平衡點以上，保證井內壓力的動平衡。應用井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)，利用聲納回波測距方法產生沿環(huán)空傳播到井內的超聲波，然后接收在液位上形成的反射波。通過計算時間差，得到液位深度，從而準確掌握井下液位的高度和變化。使井筒液位始終高于動平衡點，保證井內壓力的動平衡。

鉆井溢流監(jiān)測技術與其他監(jiān)測方法相比，具有實時、快速、準確的特點。通過直接測量井底流體參數(shù)的變化，第一時間發(fā)現(xiàn)地下油、氣、水的涌入情況。目前，中石油已初步開發(fā)出基于介電常數(shù)和超聲多普勒的兩種溢流監(jiān)測技術，為進一步提高溢流監(jiān)測的準確性和及時性奠定了基礎，實現(xiàn)了入井后1～2min內報警。其中，介電常數(shù)監(jiān)測技術是利用鉆井液與地層流體（油、氣、水）所用鉆井液介電常數(shù)差異較大的特性。利用研制的隨鉆介電測量儀，監(jiān)測鉆頭位置附近的鉆井液介電常數(shù)或電導率的變化，及時發(fā)現(xiàn)井下溢流。目前，該技術已在長慶油田鉆井現(xiàn)場進行試驗。超聲多普勒含氣識別系統(tǒng)是通過安裝在測量短接附近的超聲發(fā)射和接收探頭，檢測含氣鉆井液通過該段環(huán)空引起的超聲多普勒信號畸變，檢測氣體涌入的一種技術手段。該技術可以實現(xiàn)對氣體流入井筒的早期監(jiān)測。

1.3 自動關井和壓井

當發(fā)生溢流或井涌時，迅速關井保障井口安全，可以有效避免地層流體侵入規(guī)模擴大，防止人員傷亡，減少財產損失和環(huán)境污染，保護油氣資源。中石油開發(fā)了以鉆具止回閥快速自動安裝裝置為核心的自動緊急關閉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有停泵、停轉盤、起升鉆具、關閉半密封閘板防噴器、安裝鉆具止回閥、緊急開啟液壓節(jié)流閥等功能。該系統(tǒng)提高了緊急關井的可靠性和及時性，實現(xiàn)了正常鉆井條件下的一鍵關井。關井成功后，還可以通過壓井作業(yè)，使侵入井筒的地層流體循環(huán)出井或返回地層，將泥漿密度調整到平衡或過平衡狀態(tài)，以恢復井筒狀態(tài)。

針對人工壓井作業(yè)自動化水平低、耗時長、失誤率高等問題，利用專家系統(tǒng)和自動壓井系統(tǒng)開發(fā)了自動壓井監(jiān)控系統(tǒng)。通過軟硬件結合的方式，實現(xiàn)了壓井方案自動計算、壓井過程自動控制，通過對壓井參數(shù)的實時監(jiān)控和動態(tài)調整，有效提高了壓井作業(yè)的準確性和成功率，縮短了壓井響應時間。該套系統(tǒng)在渤海鉆井培訓中心的實驗井完成了9種工況、3種壓井方式的自動壓井現(xiàn)場模擬試驗。壓井控制精度高于80%，壓力波動控制在±50psi。

1.4 緊急救援系統(tǒng)

高壓、高產、高硫化氫天然氣井噴或失控井噴后，噴出的天然氣容易被電火花等外部火源點燃，造成大范圍的人員傷亡，所以發(fā)生事故后需要及時進行人工點火。否則，一旦發(fā)生火災，井內油氣壓力高，產量大，火勢往往十分兇猛，井架、鉆機、鉆具和井口裝置會很快被燒毀，井口裝置失去了控制地下油氣的能力，井口周圍的設備、儀器和材料將被燒毀和變形。此外，井場內障礙物較多，一般難以快速滅火。不加控制的開放式井噴會嚴重影響井下套管，可能導致套管松動或斷裂，地層破裂或坍塌，造成大量油氣燃燒，造成資源巨大損失。同時，大量的SO2、H2S 在燃燒后會排放大量對人體造成危害的副產物，也會對環(huán)境造成嚴重污染。因此，整個過程中的點火作業(yè)，包括井場作業(yè)障礙物的清除、損壞井口的切割和新井口裝置的更換能力，恢復井口對地下油氣的控制能力，對井控施工具有重要意義。國內已開發(fā)和應用了一系列的應急救援技術設備，形成了強大的應急能力，其中包括：熱成像人體形狀檢測設備、遠程監(jiān)控和搜救無人機系統(tǒng)、可遙控帶火搶裝井口設備等。

2 有待解決的關鍵技術問題

盡管國內在井控技術領域開展了大量研究，但仍有一些關鍵技術問題沒有得到有效解決。同時，隨著勘探開發(fā)不斷向深層和超深層的復雜油氣藏延伸，一些新的技術問題不斷出現(xiàn)。目前，需要進一步研究解決的技術問題如下。

2.1 耐高壓耐高溫的井控設備

部分特殊工藝井的井底溫度超過200℃，井下壓力超過140MPa。目前國內的井控設備還不能完全滿足現(xiàn)場作業(yè)的需要。同時，國內的井控裝備研發(fā)仍落后于國外大型石油公司。要進一步開展耐高壓耐高溫井控設備的研發(fā)，提高井控設備國產化率，降低鉆井成本，保障井控安全。

2.2 智能井控設備

目前大數(shù)據(jù)、機器學習、機器人、數(shù)據(jù)挖掘、圖像識別等人工智能技術發(fā)展迅速。人工智能在國內的井控技術和井控設備中的應用尚處于起步階段。如何實現(xiàn)無人化、智能化的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設計、自動控制、運行控制等，還需要進一步研究，以提高運行效率，降低人員風險，預防重大事故的發(fā)生，最終實現(xiàn)智能化。

3 井控技術發(fā)展方向展望

3.1 大數(shù)據(jù)技術研究

通過加強大數(shù)據(jù)技術研究，解決鉆井和井控工作中的數(shù)據(jù)孤島問題，對不同地區(qū)、不同地層條件、不同施工方案進行分析，掌握鉆井工藝參數(shù)和井控風險處置條件。大數(shù)據(jù)平臺和數(shù)據(jù)挖掘技術，提取關鍵技術指標，為井控方法、溢流監(jiān)測與控制、復雜地層關井技術研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，提高井控的針對性和可靠性技術。

3.2 人工智能技術研究

圍繞井控工作的核心環(huán)節(jié)，利用現(xiàn)有研發(fā)成果，集鉆井綜合風險評估、作業(yè)過程實時管控、溢流監(jiān)測報警、一鍵自動關井、計算機輔助壓井、機器人救援等技術于一體，借助智能技術，形成集評估、管理、監(jiān)督、關井、壓井、救援于一體的井控技術智能平臺，進一步提高井控全過程的自動化和可靠性，全面降低鉆井作業(yè)安全風險。

4 結論

近年來圍繞有效提升鉆井安全開展了大量的持續(xù)研究、推廣和應用，國內取得了豐富的技術成果，整體井控技術水平有所提高。但在復雜地層井控作業(yè)技術、耐高溫高壓裝備技術、基于人工智能的井控技術等方向上仍存在一定的不足，仍需進一步研究工作。